超大型極地海上重力式混凝土平臺結構分析及全過程模擬

謝崇峰 王寧輝 馮 鵬 林紅威 丁國楨

超大型極地海上重力式混凝土平臺結構分析及全過程模擬

謝崇峰1王寧輝2馮 鵬1林紅威3丁國楨1

(1. 清華大學，北京 100084；2. 中國石油遼河油田金海采油廠，遼寧盤錦 124000；3. 北京交通大學，北京 100044)

極地油氣資源非常豐富，具有很大的開發潛力。重力式混凝土平臺具有集成程度高、耐久性能優異等優點，在極地油氣資源開采中具有廣闊的應用前景。文章以北極某油氣開采項目為背景，給出了該類型重力式混凝土平臺冰荷載、風荷載、波浪荷載、海流荷載、基底反力以及溫度荷載的計算方法。針對重力式混凝土平臺的荷載工況組合，介紹了包括中國船級社（CCS）、國際標準化組織（ISO）、挪威船級社（DNV）、美國石油協會（API）以及歐盟（EN）在內的多國組織行業規范對荷載種類選取的要求，明確了本項目應采用的荷載工況組合。針對重力式混凝土平臺在拖航、安裝和在位服役階段的全過程受力情況進行了有限元模擬，驗證了平臺結構在三個階段的可靠性。

極地；重力式混凝土平臺；荷載計算；荷載工況組合；有限元模擬

0 引 言

混凝土是建造海洋平臺的理想材料，在各種海洋平臺，尤其是重力式海洋平臺中，得到了廣泛的應用[1-2]。重力式混凝土平臺依靠重力維持自身穩定性，按外形可以分為圓柱罐平臺、Condeep平臺、駁船型平臺等，主要應用于風電、石油開采、液化天然氣（LNG）儲運等領域[1,3]。相較于傳統的鋼結構海上平臺，重力式混凝土平臺承載力高、抗冰能力強、耐久性能及防火性能好，尤其適用于大型海上工程平臺。一項針對北海地區大量重力式混凝土平臺的研究[4]表明，憑借混凝土優異的耐腐蝕性能，重力式混凝土平臺在海洋環境下可以維持至少50年的使用壽命。

北極地區油氣儲量豐富，但目前開采程度較低，未來具有巨大的開發潛力。不同于傳統的陸地建設，極地建設面臨以下挑戰[5-6]：1）地理位置偏遠，后勤供應困難；2）極低溫、強風、冰雪等惡劣氣候條件造成施工效率低下；3）運輸材料和設備時，無冰水域的時間窗口十分有限；4）陸上適用土地稀缺，水路疏浚成本高；5）極端荷載發生概率大，對海洋平臺結構強度要求高；6）人員設備數量少，維修養護條件受限。因此集成程度高、耐久性能優異的重力式混凝土平臺是極地能源開采較為理想的依托平臺。Li等[7]統計了32個北極項目，其中10個項目采用了重力式混凝土平臺的形式，在工程中已驗證了重力式混凝土平臺對極地環境的適用性。

在重力式混凝土平臺中，駁船型平臺是一種大尺寸的方形平臺，適合作為近海油氣加工工廠或LNG儲運中轉站等設施，目前在Adriatic LNG項目及Arctic LNG 2等少量工程中得到了成功應用。其中，Arctic LNG 2項目[8-9]正在建設中，圖1為Arctic LNG 2平臺在摩爾曼斯克船塢的建設現場。重力式混凝土駁船型平臺是海洋油氣資源開采領域的大型前沿基礎設施，對于我國極地能源開采、拓展能源渠道以及保障能源安全具有重要戰略價值。然而，我國在此技術領域尚無技術積累，亟需在此領域開展相關探索性研究。本文以北極某油氣開采項目為背景，調研了駁船型重力式混凝土平臺在極地冰區環境下的荷載計算方法及荷載工況選取方法，并針對平臺的拖航—安裝—在位服役三個階段開展了全過程的有限元模擬。

圖1 建設中的Arctic LNG 2 平臺

1 工程概況

該項目計劃在極地無人區陸地開采LNG，通過管道運輸至近岸LNG工廠，在工廠完成過濾、液化、裝船運輸等工藝，其中LNG工廠采用3個重力式混凝土平臺作為結構載體。每個平臺長324 m，寬152 m，高30 m，結構主體為墻板構造，如圖2所示。平臺建造流程如圖3所示。平臺在工業區船塢建造后，安裝上部LNG工廠模塊，注水浮起，再由駁船拖航至目標海域并灌注壓載水，靠重力保證平臺使用過程中的穩定性。平臺主體結構質量為46萬t，LNG工廠模塊總質量達17萬t，可儲存22.8萬m3LNG及7.5萬m3凝析油，建成后將成為世界上最大的重力式混凝土平臺，同時也是世界上最大的海上LNG工廠。平臺服役過程中將在陸地開采LNG，通過管道運輸至平臺上部工廠深化處理，依靠停泊在平臺旁的LNG船舶完成運輸任務。

圖2 重力式混凝土平臺結構效果 m

圖3 平臺建造流程

平臺內部墻板布置如圖4所示。其中，主要墻體厚度為300 mm、400 mm、550 mm及700 mm，底板和甲板厚度為650 mm。平臺包括兩個容量114 500 m3的LNG存儲艙、一個容量75 000 m3的凝析油存儲倉、中央三個壓載水存儲倉以及分布在懸臂部位的壓載水存儲倉。結構總重量為3.81×108kg，理論吃水深度為10.15 m。

圖4 平臺內部墻體布置 m

平臺在拖航—安裝—在位服役全過程中會受到復雜的荷載作用，包括平臺自重、擋土墻壓力、壓載水重量等永久荷載，上部組塊重量、儲罐容量等可變荷載，靜水壓力、波浪荷載、風荷載、冰荷載、海流荷載、溫度荷載等環境荷載。在驗算時需針對每種工作狀態選取不同的荷載種類和極限狀態，形成荷載工況。

2 荷載工況分析

2.1 典型荷載研究

2.1.1 冰荷載計算

海洋平臺在極區服役時，會面臨海冰災害的嚴重威脅。調研資料表明，在役海洋平臺曾多次發生海冰損毀平臺結構的嚴重事故。1968年，海冰持續堆積導致渤海灣內老二號平臺構件破損開裂，致使平臺最終倒塌[10]；1986年，流冰的持續作用使波弗特海內沉箱平臺強烈振動，誘發底部砂土地基液化，導致平臺下陷近1 m[11]，影響了平臺的使用。因此，對于冰區服役的海洋平臺，必須對冰荷載進行準確的計算。

冰荷載可以分為擠壓冰荷載、彎曲冰荷載、局部冰荷載和動力冰荷載四類。彎曲冰荷載主要出現在錐體結構中，因此對于直立型的駁船型平臺結構，可以不考慮彎曲冰荷載。此外，駁船型平臺采用了鋼筋混凝土結構，不易出現局部冰荷載引發的局部屈曲破壞模式，因此也可不考慮局部冰荷載。對于動力冰荷載，當結構存在頻率鎖定或者自激勵的風險時，ISO 19906–2010[12]建議靜態分析應輔以動態分析。但是許寧[13]指出，當寬厚比較大時（>30），海冰在結構前的破壞會在水面的不同位置相繼出現。即海冰非同時破壞，很難對結構整體造成影響，故本文也不考慮冰的動力作用。綜上，對于駁船型平臺結構，本文參考Q/HSn 3000—2002[14]和ISO 19906– 2010對擠壓冰荷載進行了計算。

根據Q/HSn 3000–2002，對于直立結構，擠壓冰荷載可按式（1）進行計算：

根據ISO 19906–2010，直立結構的擠壓冰荷載可按式（2）進行計算：

式中：為冰與結構接觸寬度，按保守取平臺對角線長度358 m；為冰厚，按照100年重現期取2.76 m；1為參考冰厚，取為1 m；為接觸寬度效應的經驗系數，取–0.16；為冰厚效應的經驗系數，取–0.3；R為海冰強度系數，取2.4 MPa。將上述參數取值帶入式（2），計算得到擠壓冰荷載為0.81 MPa。

可以看到，ISO 19906–2010的計算結果高于Q/HSn 3000—2002計算結果。屈衍等[15]利用遼東灣海域MDP1海洋平臺的實測數據，基于兩種規范分別計算了擠壓冰荷載，得到了與本項目相同的結論，即ISO 19906–2010的計算結果高于Q/HSn 3000—2002。偏保守地，本文取擠壓冰荷載為0.81 MPa。

2.1.2 風荷載計算

風荷載的計算方法相對比較成熟，可參考中國船級社規范《海上移動平臺入級規范》[16]進行計算。100年重現期下，3s陣風的大小為38 m/s，大于規范中的正常作業模式下結構最小設計風速36 m/s的要求。因此，風壓可按式（3）進行計算：

式中：為設計風速。實際計算時還應考慮高度系數h、形狀系數s。平均海平面距離平臺底部的高度為15.3 m，水面上部結構的平均形心近似考慮在水面上部結構中部，距離水面高度為7.1 m，依據規范h取1.00。規范中規定對于大平面，形狀系數s取1.0。將上述參數代入式（3），計算得到風壓為0.89 kPa。

2.1.3 波浪荷載計算

對于小尺度結構，波浪的拖曳力和慣性力是主要的分量，一般考慮粘性效應，采用Morison公式進行計算；而對于大尺度結構，波浪的慣性力和繞射力是最主要的分量，一般考慮繞射效應，采用繞射理論進行計算。由于重力式混凝土平臺尺度極大，可以忽略粘性效應，故使用繞射理論求解波浪荷載。

此時可以分兩種工況對結構所受的波浪荷載進行討論，分別為拖航工況和在位服役工況。對于拖航工況，需考慮水平方向和垂直方向的波浪荷載；對于正常使用工況，由于平臺底部位于不透水層，因此平臺僅受水平方向波浪荷載作用。根據王樹清等[17]給出的長方潛體繞射理論建議公式，作用在長方潛體迎波面和背波面的平均壓力分別為：

式中：H為水平繞射系數，對長方潛體可取H=2.0[17]；為波數；為波高；為波浪頻率；1為迎波面和背波面的坐標；1為潛體沿波浪方向的長度；3為潛體的高度；為潛體中心至海底的距離；為海水水深。

作用在長方潛體底面的波浪壓力為：

式中：V為垂直繞射系數設，對長方潛體可取V=2.7[17]。、為波浪荷載作用位置的坐標。對于波數，采用線性波假設，滿足彌散關系：

拖航階段一共可以分為10段航路，如圖5所示，取其中7段航路開展了波浪特征觀測。提取包含時間的項，其余公式用符號表示，則波浪荷載可以簡化表示為：

圖5 拖航路線劃分

拖航過程中，求解和的過程如表1所示。

表1 拖航階段波浪荷載求解過程

雖然拖航過程中1和均隨拖航過程不斷變化，但考慮到迎波面和背波面波浪荷載對結構影響不大，可以取兩個極限狀態進行校核，即令1=2=與1=2= –。

在位服役階段下波浪荷載的計算與拖航階段相似，承載能力極限狀態下的波浪參數取0.1%最大波高100年重現期，正常使用狀態下的波浪參數取3%最大波高1年重現期。在位服役階段波浪荷載計算所需參數如表2所示。

表2 在位服役階段波浪荷載計算參數

2.1.4 海流荷載計算

海流荷載依據《海上移動平臺入級規范》[16]計算。當只考慮海流作用且采用繞射理論計算波浪荷載時，作用在平臺水下部分構件的海流載荷可按式（10）計算，并和波浪荷載矢量相加：

式中：D為曳力系數；w為海水密度；為設計海流流速；為構件在與流速垂直平面上的投影面積。D的計算參考《海港工程設計手冊》[18]。拖航階段按漂浮矩形梁考慮，水流力系數取2.32，淹沒深度影響系數取0.70，最終的曳力系數取1.624。對于在位服役階段，水流力系數取1.10，淹沒深度影響系數取0.70，最終的曳力系數為0.770。對于拖航階段，結構所受海流荷載主要沿拖航方向，且由牽引繩承擔，不會對結構整體產生影響，但會在牽引部位產生比較大的集中應力，后期精細分析時需要予以考慮。對于在位服役階段，重現期100年下平均流速為1.19 m/s，對于承載能力極限狀態海流壓力取0.55 kPa；重現期1年下平均流速為0.81 m/s，對于正常使用極限狀態海流壓力取0.25 kPa。

2.1.5 基底反力計算

本項目的基礎施工流程為：a）沿岸邊建造板樁支護墻；b）平臺安裝位置移除約13 m厚度的土層；c）填充一層均勻的砂/碎石排水層；d）在排水層上安放平臺；e）在平臺和板樁支護墻內填充回填土。

由于冰荷載可能大于平臺基礎的水平方向抗剪承載力，因此需要在靠近海岸的地方進行基礎回填。根據前文冰荷載的計算結果，結合施工現場原位土體試驗，填充高度定為11.6 m，土體壓力為223.8 kPa。

由于平臺結構剛度明顯大于基礎剛度，故基底反力可采用文克爾地基模型進行計算。假定地基上的壓應力與地面變形符合下述關系：

=（11）

式中：為基底的彈性模量，根據現場原位試驗，可取635.5 kN/m3。

2.1.6 溫度荷載計算

實際溫度分布情況較為復雜，需對溫度荷載進行一定的簡化，本文僅考慮冬天、夏天以及全年平均三種溫度分布工況。根據位置的不同，可以將溫度場簡化為如下四種溫度，不同工況下的溫度分布如表3所示：a）水溫，即海水溫度，假設平臺結構內的空氣溫度以及壓載水溫度等于海水溫度；b）氣溫；c）地基溫度，全年均取1 ℃；d）LNG溫度，LNG儲罐溫度全年取4 ℃。

表3 不同工況溫度分布

構件溫度取兩側環境溫度的平均值，以冬天工況為例，不同構件的溫度如圖6所示，標紅的構件為平臺在該溫度下的全部構件。

圖6 冬季不同構件溫度分布

2.2 荷載工況組合

關于重力式混凝土平臺的荷載工況組合，目前多個國內外組織和協會，包括中國船級社（CCS）、國際標準化組織（ISO）、挪威船級社（DNV）、美國石油協會（API）以及歐盟（EN）等，制定的行業規范給出了組合建議。

中國船級社的相關規范主要包括《海上固定平臺入級與建造規范（1992）》[19]和《海洋移動平臺入級規范（2020）》[16]兩部。對于固定平臺，可以將荷載分為三類，環境荷載、使用荷載以及施工荷載。其中環境荷載包括風荷載、波浪荷載、海流荷載、冰荷載以及地震荷載。規范中特別指出，混凝土平臺結構還應額外考慮溫度荷載、結構基礎底部的不均勻沉降和海底不平引起的變形載荷、混凝土蠕變和收縮引起的載荷以及鋼筋的預應力引起的載荷。荷載組合時應至少包含以下三種荷載組合，極端環境條件的重現期一般不小于100年：a）最大的使用荷載+工作環境條件；b）最大的使用荷載+極端環境條件；c）最小的使用荷載+極端環境條件。

國際標準化組織的相關規范主要包括ISO 19901–1– 2015[20]、ISO 19903–2019[21]和ISO 19906–2010[12]。ISO 19901介紹了風荷載、波浪荷載以及海流荷載的計算理論。ISO 19903–2019和ISO 19906–2010中將荷載分為四類：環境荷載、永久荷載、可變荷載以及偶然荷載。其中環境荷載包括波浪荷載、海流荷載、風荷載、地震荷載及冰荷載；永久荷載包括結構重量、永久壓艙物和設備重量、外部和內部的靜水壓力以及上述荷載引起基礎的響應；可變荷載包括人員荷載、儲存貨物以及和生產有關的荷載等；偶然荷載包括突然掉落的物品、火災以及爆炸等。兩本規范對于不同荷載種類的選取方法大致相同，但是ISO 19906–2010對荷載組合的定義相對更細致，對于正常使用極限狀態和疲勞極限狀態，滿足規范ISO 19903–2019要求即可，但對于承載能力極限狀態和偶然極限狀態還需額外滿足ISO 19906–2010的要求，可見極地環境下對極端環境的校核應該更加謹慎。

挪威船級社的規范主要包括DNVGL-RP-C205[22]、DNV-Os-C502[23]和DNV-Os-C503[24]。DNVGL-RP-C205對海洋工程中的風荷載、波浪荷載、海流荷載和潮汐荷載提出了計算建議，并特別強調了波浪和海流荷載對大體積結構的作用，建議對大體積結構進行風、浪和海流的耦合水動力分析及空氣動力分析。DNV-Os-C502和DNV-Os- C503荷載分項系數的選取與ISO 19903一致，但是DNV-Os-C502更明確地規定了環境荷載的具體組合方式。

美國石油協會的規范API RP 2N[25]在ISO 19906的版本上進行了修改和補充，此外還特別指出對于混凝土結構可參考規范ISO 19903。規范中關于荷載組合和荷載工況的定義與ISO 19906一致。

歐洲規范EN 1992-1-1–2004[26]中沒有特定針對海洋結構或海洋混凝土結構的規范，僅針對混凝土結構的設計給出了建議，其中荷載組合的計算方法與中國GB 50010—2010[27]類似。極限狀態可以分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩類，每種極限狀態下仍需考慮不同的設計狀況。承載能力極限狀態包括持久或短暫設計狀況的作用組合、偶然設計狀況作用組合以及地震狀況作用組合；正常使用極限狀態包括標準組合、頻遇組合以及準永久組合。

2.3 荷載組合選取

通過對當前行業規范進行梳理可以發現，我國船級社的規范中并沒有提出海洋環境下荷載的分項系數，僅針對荷載組合方式和荷載種類給出了建議。相較而言，國外的規范多直接采用ISO規范中的荷載組合和分項系數，而挪威船級社根據其豐富的極地建造經驗，對不同環境荷載的組合方式給出了詳細的建議。為了更好地反映結構的實際受力狀態，在有限元計算中不考慮荷載分項系數。不同極限狀態下的荷載種類選取如表4所示，不同設計工況下選取的荷載組合如表5所示。

表4 荷載種類選取

表5 荷載工況組合

3 結構有限元分析

3.1 有限元分析模型

在建造過程中，重力式混凝土平臺除LNG頂板外的永久性結構構件使用了LC50輕骨料混凝土，LNG混凝土頂板采用了C55修正密度混凝土。LC50輕骨料混凝土的密度為1.92×103kg/m3，彈性模量取22 GPa，泊松比取0.2；C55修正密度混凝土密度為2.25×103kg/m3，彈性模量取32 GPa，泊松比取0.3。鋼筋牌號為HRB500，密度取7.85×103kg/m3，彈性模量取206 GPa。

混凝土平臺墻板中的配筋布置分為7種配筋形式。鋼筋均采用?20鋼筋，在中性軸兩側雙向配筋，保護層厚度取60mm。表6為配筋信息。

表6 構件配筋信息

表7 預應力筋信息

利用ABAQUS建立有限元模型。有限元網格尺寸取2 m，單元種類選擇8節點厚殼單元和6節點厚殼單元，鋼筋和預應力筋利用rebar layer功能建模。對于拖航階段，限制寬度端水平方向位移；對于就位安裝階段和在位服役階段，限制底部水平方向位移。用彈簧約束模擬底部的靜水壓力和地基壓力。對于重力式混凝土平臺，正常使用極限狀態和承載能力極限狀態可以按線彈性校核[28]。

3.2 拖航階段校核

拖航過程中的荷載包括最小操作重量、結構自重、靜水壓力、風荷載以及波浪荷載。

圖7 風荷載和波浪荷載分布

荷載工況僅校核包含永久荷載、可變荷載以及環境荷載的承載能力極限狀態。實際情況中風和波浪的方向具有隨機性，選擇圖8兩種較危險狀況進行校核。

圖8 拖航階段危險情況

通過對四種荷載組合進行校核，危險情況a（中拱）為最危險工況，其有限元模型計算結果如圖9所示。最大面內主拉應力為112.6 MPa，但僅僅在拖拽區域局部產生，后期設計時應布置合適的拖拽組件，避免應力集中。

3.3 就位安裝階段校核

就位安裝過程包含兩種狀態，一種為結構開始下沉的狀態，另一種為結構在海底保持水平穩定的狀態。設計荷載包括最小操作重量、結構自重、靜水壓力及壓載水重量。其中，壓載水重量需考慮以下兩種情況進行計算：

1）結構剛好觸底時的壓載水重量，對應結構開始下沉的狀態，此時結構的壓載水僅存儲中央壓載水存儲倉中。施加結構觸底時實際的荷載工況，在結構底部添加彈簧約束。調整壓載水重量，當結構整體不出現沉降時，結構便處于剛好觸底的狀態。

圖9 拖航階段危險情況a（中拱）有限元計算結果 MPa

2）保證基礎不發生水平滑移的壓載水重量，對應結構在海底保持水平穩定的狀態。相較于情況1），壓載水除了分布于中央壓載水存儲倉中，還分布于懸臂部位壓載水存儲倉，同時儲罐重量也可以提供壓載。此時結構靠壓力作用在基底產生的抗剪力抵抗水平荷載。

對于第一種狀態，有限元模型計算結果表明壓載水壓力為200 kPa時，模型幾乎不發生沉降，即結構處于剛好觸底的狀態。此時壓載水總重2.35×108kg，壓載水液面高度為20.00 m。

對于第二種狀態，上部組塊取最小重量，儲罐容量取最小儲量，結構底部剪力由擋土墻壓力、冰荷載、風荷載以及波浪荷載產生，其在結構上的作用關系如圖10所示。

圖10 結構水平方向的荷載作用

其中冰荷載大小為3.40×105kN，波浪荷載大小為3.51×104kN，海流荷載大小為1.28×103kN，風荷載為1.36×103kN，擋土墻壓力為1.04×106kN，靜水壓力為3.84×105kN。經計算底部最大剪力為為7.5×105kN。

記基底反力為，則結構不發生滑移的條件為：

計算得到最小基底反力為=1.20×106kN。由儲罐重量、懸臂壓載水重量產生，其中儲罐質量為1.59×107kg，則額外所需壓載水質量為1.04×108kg。懸臂部分壓載水總重為1.33×108kg，滿足穩定性要求。

3.4 在位服役階段校核

在位安裝過程中的荷載組合如表8所示。

表8 在位服役階段荷載組合

其中永久荷載包括平臺自重、擋土墻壓力以及壓載水重量?？勺兒奢d包括上部組塊重量以及儲罐容量。環境荷載包括靜水壓力、波浪荷載、風荷載、冰荷載、海流荷載以及溫度荷載。靜水壓力作用在除擋土墻外的結構四周，風荷載作用懸臂結構以上部分，波浪荷載分布與拖航階段相同，冰荷載方向與風荷載方向相同，不計入平均環境荷載。實際情況中風和波浪的方向具有隨機性，選擇圖11所示兩種較危險的狀況進行校核。

圖11 在位服役階段危險情況

由于冰荷載發生在冬季，波浪荷載和風荷載較大的工況均出現在冬季，因此在承載能力極限狀態校核時按冬季施加溫度荷載。對于正常使用極限狀態，施加全年平均溫度荷載。

在上述承載能力極限狀態中，有限元計算結果表明在工況1危險情況b中，結構的最大面內主應力達到最大，其有限元模型計算結果如圖12所示。該狀態下最大面內主應力出現在頂板中，后期深化設計時可以通過布置預應力筋降低應力水平。對于正常使用極限狀態，高度方向沉降為0.34～0.52 m，長度方向變形為–9.3～14 mm，其中工況3危險情況a具有更大的變形，其有限元模型計算結果如圖13所示。

圖12 在位服役階段工況1危險情況b有限元計算結果 MPa

圖13 在位服役階段工況3危險情況有限元計算結果 mm

4 結 論

本文以某工程為例，介紹了極地冰區環境下重力式混凝土駁船平臺典型荷載的計算方法，參考多國行業規范給出了平臺結構荷載工況組合，并在此基礎上開展了混凝土平臺拖航—安裝—在位服役全過程有限元模擬。主要研究結論如下：

1）計算了重力式混凝土駁船平臺的冰荷載、風荷載、波浪荷載、海流荷載、基底反力以及溫度荷載，其中風荷載和海流荷載的計算理論較為成熟。比較了Q/HSn 3000和ISO 19906中關于擠壓冰荷載的計算方法，ISO 19906中的計算公式更加保守。波浪荷載采用了擬靜力的計算方法，可忽略時間項的影響?；追戳皽囟群奢d根據平臺的具體受力模式進行了計算。

2）比較了中國船級社（CCS）、國際標準化組織（ISO）、挪威船級社（DNV）、美國石油協會（API）以及歐盟（EN）關于重力式混凝土平臺的設計規范。我國船級社給出了平臺設計中所需考慮的荷載種類以及三種基本的荷載組合。國外的規范大多以ISO規范為基礎，給出了更加詳細的荷載組合方法，其中挪威船級社因為極區施工經驗豐富，給出了更詳盡的環境荷載組合選取建議。參考上述規范，可選取共計12種荷載組合對結構進行校核。

3）平臺的使用全過程包括拖航—安裝—在位服役三個階段，本文開展了三個階段的全過程有限元模擬。全過程有限元計算結果表明本項目中重力式混凝土平臺具有可行性，但存在局部面內最大拉應力過高的情況，深化設計時需要合理布置預應力筋。此外，深化設計中還需進行局部精細有限元分析，如果有條件還應對爆炸沖擊荷載、船撞荷載等偶然荷載工況進行單獨驗算。

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Structural Analysis and Whole-Process Simulation of Ultra-Large Concrete Gravity-Based Structure in Arctic Ocean

XIE Chongfeng1WANG Ninghui2FENG Peng1LIN Hongwei3DING Guozhen1

(1.Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Jinhai Recovery Factrory Under Liaohe Oilfield of CNPC, Panjin 124000, China; 3. Beijing Jiaotong University, Beijing 100084, China)

Oil and gas energy is abundant in Arctic region, which has a great exploitation potential. Concrete gravity-based structures have a board future to be installed in the ocean due to its advantages of high degree of integration and exceptional durability. The calculation methods for ice load, wind load, wave load, ocean current load, foundation reaction, and temperature load were provided in the study based on an oil and gas exploration project in the Arctic region. For the load combinations of gravity-based platforms, standards in China Classification Society (CCS), International Organization for Standardization (ISO), Det Norske Veritas (DNV), American Petroleum Institute (API) and European Union (EN) were introduced to select load types. Then the load combination of the project was defined. Besides, the whole-process structural analysis for towage, installation, and on-site service was carried out by finite element method, verifying the reliability of the platform.

Arctic; gravity based platform; load calculation; load combination; finite element method

謝崇峰, 王寧輝, 馮鵬, 等. 超大型極地海上重力式混凝土平臺結構分析及全過程模擬[J]. 工業建筑, 2024, 54(1): 46-55. XIE C F, WANG N H, FENG P, et al. Structural Analysis and Whole-Process Simulation of Ultra-Large Concrete Gravity-Based Structure in Arctic Ocean[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 46-55 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23100822

*國家自然科學基金項目：海洋工程結構用高耐久大尺寸纖維增強復合材料構件設計理論與方法(U2106219)；北極低溫區域LNG工廠及模塊設計建造關鍵技術研究(2019B-3203)；新基石科學基金會：科學探索獎。

謝崇峰，男，1998年出生，博士研究生，研究方向為海洋混凝土結構。

馮鵬，男，1977年出生，研究方向為新材料結構與新型結構，fengpeng@tsinghua.edu.cn。

2023–10–08